Ultrakänslig sensor kan minska risker med vätgas
Artificiell intelligensFörnybar energiKlimatetTrafikEn stor utmaning kantar satsningar på vätgas för att ersätta fossila bränslen. Gasen kan bli explosiv i kontakt med luft. Forskare vid Chalmers har nu tagit fram en optisk sensor som kan upptäcka rekordlåga halter läckande vätgas.
Vätgas ses som en viktig del i klimatomställningen av tunga transporter och runt om i världen sker satsningar på vätgasdrivna tåg, lastbilar och flygplan. Även inom tung industri är vätgasen en viktig energibärare, till exempel för framställning av fossilfritt stål.
Säkerhetsriskerna med att lagra eller använda väte är välkända. Det krävs bara fyra procent väte i luften för att det ska bildas knallgas som kan antändas vid minsta gnista. Därför är det viktigt att superkänsliga sensorer finns på plats och kan bevaka läckor samt larma vid kritiska nivåer.
Säkerheten kritisk vid vätgasanvändning
Forskare vid Chalmers har i samarbete med universitet i Nederländerna tagit fram en optisk vätgassensor som känner av rekordlåga halter av vätgas. Den sällar sig därmed till de känsligaste sensorerna i världen.
– Säkerhet är av yttersta vikt vid all användning och lagring av vätgas. Om mycket små läckor upptäcks tidigt kan de åtgärdas så att du förhoppningsvis inte behöver ta anläggningen eller fordonet ur drift, säger Christoph Langhammer, professor vid Chalmers tekniska högskola.
AI-teknik visade vägen
Den optiska vätgassensorn består av många nanopartiklar i metall som samverkar för att känna av vätgas i sin omgivning. Tillvägagångssättet för hur den nya sensorn designats skiljer sig från tidigare tillfällen.
I stället för att ta fram ett stort antal prover, och testa dem var och en för sig för att se vilken som fungerar bäst, har forskarna tagit hjälp av avancerad AI-teknik för att skapa det optimala samspelet mellan partiklarna utifrån deras avstånd till varandra, diameter och tjocklek. Resultatet är en sensor som känner av förändringar i vätgaskoncentration som är så små som några hundratusendelar av en procent.
Hemligheten bakom den nya sensorns låga detektionsgräns är partiklarnas placering i ett regelbundet mönster på en yta. Detta visade sig vara mer gynnsamt för sensorns känslighet än den slumpartade placering som gjorts i tidigare sensorer av samma typ.
Skräddarsydda sensorer behövs
Christoph Langhammers forskargrupp har tidigare kunnat presentera världens snabbaste vätgassensor. För honom står det klart att många olika slags sensorer behövs och att de kommer att vara i samspel med varandra.
– Teknologin kring vätgas har tagit ett jättesprång och därför behöver dagens sensorer både bli vassare och mer skräddarsydda för olika ändamål. Ibland behövs en mycket snabb sensor, ibland behövs en som fungerar i tuff kemisk miljö eller vid låga temperaturer. En sensorvariant kan inte tillgodose alla behov, säger Christoph Langhammer.
Så fungerar den optiska vätgassensorn
- Den sensor som forskarna har utvecklat bygger på ett optiskt fenomen, plasmoner, som uppstår när nanopartiklar av metall fångar upp ljus och ger partiklarna en distinkt färg. Är nanopartiklarna gjorda av palladium eller en palladiumlegering så ändras deras färg när mängden vätgas i deras omgivning förändras och sensorn kan slå larm om nivåerna blir kritiska.
- För att hitta den ultimata placeringen av partiklarna i sensorn använde sig forskarna av en artificiell intelligens-algoritm kallad partikelsvärmsoptimering. Syftet var att partiklarnas placering skulle leda till högsta möjliga känslighet för exponering av väte. Att placera partiklarna i ett mycket exakt definierat regelbundet mönster visade sig vara svaret.
- Utifrån AI-beräkningarna tillverkades den optiska vätgassensorn, vilken är den första i sitt slag att optiskt detektera väte i ”parts per billion”-intervallet (250 ppb – alltså 2,5 hundratusendelar av en procent).
Studie:
Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection, Nature Communications.
Kontakt:
Christoph Langhammer, professor vid institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola, clangham@chalmers.se
